一种智能化合理坐姿判定及预警方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及坐姿判断技术领域，尤其涉及一种智能化合理坐姿判定及预警方法及系统，包括分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理；采集背部倾角传感器前后方向变化参数和左右方向变化参数；构建数据集，并根据参数标记数据集；标记分为坐姿合理、坐姿不合理；建立向量数据和权值系数向量；通过线型支持向量机的目标函数寻优；计算坐姿合理性评估值。本发明专利技术解决现有坐姿的监测与判定方法使用体验较差的问题。监测与判定方法使用体验较差的问题。监测与判定方法使用体验较差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种智能化合理坐姿判定及预警方法及系统


[0001]本专利技术涉及坐姿判断
，尤其涉及一种智能化合理坐姿判定及预警方法。

技术介绍

[0002]通过研究发现要保持合理的坐姿是保持背部的挺直和头部的抬起；学习过程中无法始终保持合理的坐姿，很容易导致学生近视或加重近视程度。不良坐姿更严重的会对骨骼发育造成伤害，儿童期正是身体发育成型的关键期，不合理的坐姿可能导致脊柱变形甚至驼背等情况。需要对学生学习时的坐姿进行一个实时的监测与评估并且同时对坐姿的合理性进行智能化的判定。
[0003]现有坐姿判定方法有两种；1、通过固定在桌子边缘的挡板对学生的身体活动的固定和限制可以确保坐姿的合理性，但是实际上由于身体活动受到限制学生学习时间一长会感到十分的疲劳；2、通过感应圈来监测坐姿，但需要卡戴在学生的脖子上来监测头部的姿态变化，使用过程中会感到不舒服并限制头部正常的活动；上述方法均不能在学生身体不受约束且身体放松状态下进行坐姿的监测与判定，使用体验较差。

技术实现思路

[0004]针对现有算法的不足，本专利技术所采用的技术方案是：一种智能化合理坐姿判定及预警方法包括以下步骤：
[0005]步骤一、通过两个超声波测距传感器分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；
[0006]步骤二、计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理；
[0007]进一步的，头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离的公式为：
[0008]L＝(L
z
+L
x
)
‑
(L0+L
T
)
ꢀꢀ
(3)
[0009]其中，L0为超声波测距传感器相对于桌边沿的安装突出距离，L
T
为超声波测距传感器到学生头部的水平距离、L
Z
为桌面的宽度，L
X
为超声波测距传感器到学生前胸的水平距离。
[0010]进一步的，还包括：
[0011]步骤三、采集背部倾角传感器前后方向变化参数α和左右方向变化参数β；
[0012]进一步的，前后方向变化参数α和左右方向变化参数β的公式为：
[0013]α＝α
t
‑
α0ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]β＝β
t
‑
β0ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0015]其中，α0和β0为背部姿态的左右和前后角度为初始位置，α
t
和β
t
为背部姿态的左右和前后角度变化值。
[0016]步骤四、构建前后方向变化参数α、左右方向变化参数β、头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离L的数据集，并根据参数标记数据集；标记分为坐姿合理、坐姿不合理；
[0017]步骤五、建立向量数据和权值系数向量；
[0018]步骤六、通过线型支持向量机的目标函数寻优；
[0019]进一步的，线型支持向量机的目标函数寻优过程如下：
[0020][0021]s.t.y
i
(w
·
x
i
+b)≥1
‑
ξ
i
，i＝1，2，
…
，N
[0022]ξ
i
≥0，i＝1，2，
…
，N
[0023]其中，w为权值系数，C为惩罚系数，ξ
i
为松弛变量，b为偏置；
[0024]构造拉格朗日函数具体如下：
[0025][0026]其中α
i
和μ
i
为构造的拉格朗日乘子，L(w，b，ξ，α，μ)经变换并使用KKT条件转化为求解公式(5)的问题，公式为：
[0027][0028][0029]0≤α
i
≤C，i＝1，2，
…
，N
[0030]其中，为公式(5)的解；
[0031]最终可求得w
*
和b
*
的解如下：
[0032][0033][0034]步骤七、计算坐姿合理性评估值；
[0035]进一步的，坐姿合理性评估值的公式为：
[0036][0037][0038][0039]其中，t
ZN
为标定的不合理的坐姿的向量均值；t
Zy
为标定的合理的坐姿的向量均值；K为标定的合理的坐姿的样本数目；m为标定的非常不合理的坐姿的样本数目；x
test
为当前要评估的坐姿参数。
[0040]进一步的，智能化合理坐姿判定及预警方法的系统，包括：倾角传感器、第一超声
波测距传感器、第二超声波传感器、第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块和ARM，倾角传感器通过第一无线通信模块与ARM无线连接，第一超声波测距传感器、第二超声波传感器通过第一无线通信模块、第二无线通信模块与ARM无线连接。
[0041]进一步的，还包括：蜂鸣器，蜂鸣器与ARM有线连接，用于学生坐姿不合理的提醒。
[0042]进一步的，还包括云服务器和第四无线通信模块，云服务器通过第四无线通信模块与ARM无线连接，云服务器用于采集ARM的姿态和移动的距离数据、线型支持向量机模型训练。
[0043]本专利技术的有益效果：
[0044]1、通过头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离判断坐姿是否合理，方法简单适用性强；
[0045]2、通过线型支持向量机模型并利用背部两个方向的姿态和移动的距离参数进行训练，并结合坐姿合理性评估方法对学生坐姿进行判断，提高判断准确性。
附图说明
[0046]图1是本专利技术的智能化合理坐姿判定及预警方法的详细流程图；
[0047]图2是本专利技术的智能化合理坐姿判定及预警系统模块安装位置示意图；
[0048]图3是本专利技术的背部倾角传感器的左右和前后角度示意图；
[0049]图4是本专利技术的智能化合理坐姿判定及预警系统模块图。
具体实施方式
[0050]下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明，此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。
[0051]如图1所示，一种智能化合理坐姿判定及预警方法包括以下步骤：
[0052]坐姿的监测包括头部姿态和背部姿态两个方面的参数，背部姿态的参数通过学生背部倾角传感器采集，倾角传感器可以通过弹性背带固定在学生的背部中间位置，以保证其和学生背部做同步的移动，背部倾角传感器可以独立工作，上电后固定周期内发送学生背部姿态相对于初始位置的变化值；如图3背部倾角传感器的左右和前后角度示意图，包括：前后方向变化参数α和左右方向变化参数β，并通过无线通信模块发送给ARM处理器；设学生坐定且设备校准完成时，背本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过两个超声波测距传感器分别测量超声波测距传感器到学生头部的水平距离、超声波测距传感器到学生前胸的水平距离；步骤二、计算头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离，并设置向前或向后移动距离阈值，通过阈值比较判断学生坐姿是否合理。2.根据权利要求1所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，头部相对于前胸水平方向向前或向后移动距离的公式为：L＝(L
z
+L
X
)
‑
(L0+L
T
)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)其中，L0为超声波测距传感器相对于桌边沿的安装突出距离，L
T
为超声波测距传感器到学生头部的水平距离、L
Z
为桌面的宽度，L
X
为超声波测距传感器到学生前胸的水平距离。3.根据权利要求1所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，还包括以下步骤：步骤三、采集背部倾角传感器前后方向变化参数α和左右方向变化参数β；步骤四、构建前后方向变化参数α、左右方向变化参数β、头部相对于前胸水平方向向前或后移动的距离L的数据集，并根据参数标记数据集；步骤五、建立向量数据和权值系数向量；步骤六、通过线型支持向量机的目标函数寻优；步骤七、计算坐姿合理性评估值。4.根据权利要求3所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，前后方向变化参数α和左右方向变化参数β的公式为：α＝α
t
‑
α0ꢀꢀꢀꢀ
(1)β＝β
t
‑
β0ꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，α0和β0为背部姿态的左右和前后角度为初始位置，α
t
和β
t
为背部姿态的左右和前后角度变化值。5.根据权利要求3所述的智能化合理坐姿判定及预警方法，其特征在于，线型支持向量机的目标函数寻优的过程如下：s.t.y
i
(w
·
x
...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙天佑，乔宏哲，
申请(专利权)人：常州机电职业技术学院，
类型：发明
国别省市：